化學(xué)反應(yīng)工程(第二版)

1、1shell (china) ltd .2緒論 地位和作用？(role) 內(nèi)容？(content) 研究方法？(research methods)preface and overview3典型的化工過(guò)程（ typical chemical process ）原料的預(yù)處理產(chǎn)品的分離化學(xué)反應(yīng)過(guò)程原料產(chǎn)品循環(huán)物流圖1.1 典型的化工過(guò)程figure 1.1 typical chemical process單元操作單元操作過(guò)程之核心4地位和作用？ 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門(mén)研究涉及化學(xué)反應(yīng)的工程問(wèn)題的學(xué)科，是化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的核心學(xué)科。 對(duì)于已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，如何將其在工業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)是化學(xué)反應(yīng)工

2、程學(xué)的主要任務(wù)。 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)不僅研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系，即化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而且，著重研究傳遞過(guò)程對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；研究不同類(lèi)型反應(yīng)器的特點(diǎn)及其與化學(xué)反應(yīng)結(jié)果之間的關(guān)系。5 工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實(shí)驗(yàn)室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)模可能起著主導(dǎo)作用。在工業(yè)反應(yīng)器中既有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，又有物理過(guò)程。物理過(guò)程與化學(xué)過(guò)程相互影響，相互滲透，有可能導(dǎo)致工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模大相徑庭。6 工業(yè)反應(yīng)器中對(duì)反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過(guò)程是：(1)由物料的不均勻混合和停留時(shí)間不同引起的傳質(zhì)過(guò)程；(2)由化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的傳熱過(guò)程；(3)

3、多相催化反應(yīng)中在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散與傳熱過(guò)程。這些物理過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程同時(shí)發(fā)生。7 從本質(zhì)上說(shuō)，物理過(guò)程不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律不因?yàn)槲锢磉^(guò)程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱過(guò)程會(huì)影響實(shí)際反應(yīng)場(chǎng)所的溫度和參與反應(yīng)的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應(yīng)的結(jié)果。8內(nèi)容（三傳一反）? 化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性 （本征動(dòng)力學(xué) 宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)） 流動(dòng)、傳遞過(guò)程對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 （溫度、濃度和停留時(shí)間的分布） 反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算、過(guò)程分析及最佳化 9化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類(lèi) 化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類(lèi)方法很多，常按下列四種方法進(jìn)行分類(lèi)。 一、按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類(lèi)，分為 1 均相

4、反應(yīng)，包括氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。 2 非均相反應(yīng)，包括氣固相，氣液相，氣液固相反應(yīng)等。10 二、按操作方式分類(lèi)，分為 1 間歇操作，是指一批物料投入反應(yīng)器后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)再取出的操作方法。 2 連續(xù)操作，指反應(yīng)物料連續(xù)地通過(guò)反應(yīng)器的操作方式。 3 半連續(xù)操作，指反應(yīng)器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續(xù)流動(dòng)通過(guò)反應(yīng)器。11 三、按反應(yīng)器型式來(lái)分類(lèi)，分為 1 管式反應(yīng)器，一般長(zhǎng)徑比大于30 2 槽式反應(yīng)器，一般高徑比為13 3 塔式反應(yīng)器，一般高徑比在330之間12 四、按傳熱條件分類(lèi)，分為 1 等溫反應(yīng)器，整個(gè)反應(yīng)器維持恒溫，這對(duì)傳熱要求很高。 2 絕熱反應(yīng)器，反應(yīng)

5、器與外界沒(méi)有熱量交換，全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。 3 非等溫、非絕熱反應(yīng)器，與外界有熱量交換，但不等溫。13重油的催化裂化流化床反應(yīng)器14攪拌釜式反應(yīng)器15鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器16乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器17輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器18研究方法 化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法是對(duì)復(fù)雜的難以用數(shù)學(xué)全面描述的客觀(guān)實(shí)體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個(gè)簡(jiǎn)化模型，并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化模型的數(shù)學(xué)求解，達(dá)到利用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)雜物理過(guò)程的目的。 逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法19數(shù)學(xué)模型法 1建立簡(jiǎn)化物理模型 對(duì)復(fù)雜客觀(guān)實(shí)體，在深入了解基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，設(shè)想一個(gè)物理過(guò)程(模型)代替

6、實(shí)際過(guò)程。簡(jiǎn)化必須合理，即簡(jiǎn)化模型必須反映客觀(guān)實(shí)體，便于數(shù)學(xué)描述和適用。20 2建立數(shù)學(xué)模型 依照物理模型和相關(guān)的已知原理，寫(xiě)出描述物理模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。 3用模型方程的解討論客體的特性規(guī)律21利用數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)反應(yīng)工程問(wèn)題 基本步驟為： 1小試研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律； 2大型冷模實(shí)驗(yàn)研究傳遞過(guò)程規(guī)律； 3利用計(jì)算機(jī)或其它手段綜合反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律，預(yù)測(cè)大型反應(yīng)器性能，尋找優(yōu)化條件； 4熱模實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的等效性。22數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確明確任務(wù)任務(wù) 建立建立 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 解算解算 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 檢驗(yàn)檢驗(yàn) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型實(shí)際實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用修改模型

7、修改模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)23lab. experimentsmall scale experimentmedium scale experimentchemical modelphysical modeldesign for industrial reactor預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)對(duì)比24其他： 李風(fēng)海，1974年生，山東東明人。主要研究褐煤的提質(zhì)轉(zhuǎn)化與煤氣化。 1994年畢業(yè)于北京師范大學(xué) 1994.07-2002.09 中學(xué)化學(xué)教師 2002.09-2005.07 曲阜師范大學(xué) 碩士學(xué)位 2005.07-2008.09 菏澤學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)系教師 2008.09-2011.06 中科院山西

8、煤化所 博士學(xué)位 曾參與國(guó)家863、973、中科院創(chuàng)新等項(xiàng)目的研究；在fuel 、energy and fuel 等期刊發(fā)表論文20多篇。 聯(lián)系方式： 1553891193925 考核： 作業(yè)+出勤情況 占20% 小考或小論文 占10% 期末考試 占70%主要參考書(shū)：1、朱炳辰化學(xué)反應(yīng)工程第三版，化學(xué)工業(yè)出版社， 2001年2、李紹芬化學(xué)與催化反應(yīng)工程化學(xué)工業(yè)出版社,19883、丁百全等化學(xué)反應(yīng)工程例題與習(xí)題化學(xué)工業(yè)出版社, 2001年4、octave levenspiel. chemical reaction engineering, 2002 化學(xué)工業(yè)出版社（第一版）26第一章均相單一反應(yīng)

9、動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器271.1 基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)（basic knowledge）化學(xué)反應(yīng)式 反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過(guò)程用定量關(guān)系式予以描述時(shí),該定量關(guān)系式稱(chēng)為化學(xué)反應(yīng)式:srbasrba28化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式 化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式（化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程） 是一個(gè)方程式，允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，如將各相移至等號(hào)的同一側(cè)。srbasrba0srbasrba29化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式只表示參與化學(xué)反應(yīng)的各組分之間的計(jì)量關(guān)系，與反應(yīng)歷程及反應(yīng)可以進(jìn)行的程度無(wú)關(guān)?；瘜W(xué)反應(yīng)計(jì)量式不得含有除1以外的任何公因子。具體寫(xiě)法依習(xí)慣而定， 與均被認(rèn)可，但通常將關(guān)鍵組分（關(guān)注的、價(jià)值較高的組分）的計(jì)量系數(shù)寫(xiě)為1。3222so

10、o2so322soo21so30反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度） 引入“反應(yīng)程度”來(lái)描述反應(yīng)進(jìn)行的深度。 對(duì)于任一化學(xué)反應(yīng) 定義反應(yīng)程度 式中，ni為體系中參與反應(yīng)的任意組分i的摩爾數(shù)，i為其計(jì)量系數(shù)，ni0為起始時(shí)刻組分i的摩爾數(shù)。0srbasrbai0iinn 31 因此，該量可以作為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的度量。 恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為mol。 反應(yīng)進(jìn)行到某時(shí)刻，體系中各組分的摩爾數(shù)與反應(yīng)程度的關(guān)系為：ii0i nn32轉(zhuǎn)化率 目前普遍使用著眼組分a的轉(zhuǎn)化率來(lái)描述一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。 定義a0a0aaannnax組分的起始量組分量轉(zhuǎn)化了的33組分a的選取原則 a必須是反應(yīng)物，它在原料中的量按照

11、化學(xué)計(jì)量方程計(jì)算應(yīng)當(dāng)可以完全反應(yīng)掉（與化學(xué)平衡無(wú)關(guān)），即轉(zhuǎn)化率的最大值應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到100%，如果體系中有多于一個(gè)組份滿(mǎn)足上述要求，通常選取重點(diǎn)關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)高的組分定義轉(zhuǎn)化率。34 轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系，結(jié)合 得到：a0aanxi0ii nn0aaa0annnx35 亦可得到任意組分在任意時(shí)刻的摩爾數(shù) 對(duì)a組分本身，將上式中的i用a代替，可得aa0ai0iixnnnaa0a1xnn36化學(xué)反應(yīng)速率 反應(yīng)速率定義為單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)程度隨時(shí)間的變化率13smmoldd1tvr37 常用的還有以反應(yīng)體系中各個(gè)組份分別定義的反應(yīng)速率。 na：反應(yīng)體系內(nèi)，反應(yīng)物a的摩爾數(shù)； v：反應(yīng)體積 t：

12、時(shí)間13aasmmoldd1tnvr384d3c2ba對(duì)于反應(yīng) 以反應(yīng)物b為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為： 以反應(yīng)產(chǎn)物c為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：13bbsmmoldd1tnvr13ccsmol.mdd1tnvr39 必有 當(dāng)i為反應(yīng)物時(shí)， i為產(chǎn)物時(shí)， dcba413121rrrriirriirr 40化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式稱(chēng)為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。大量實(shí)驗(yàn)表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通常可由反應(yīng)物系的組成和溫度通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。41 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程有多種形式，

13、對(duì)于均相反應(yīng)，方程多數(shù)可以寫(xiě)為（或可以近似寫(xiě)為，至少在一定濃度范圍之內(nèi)可以寫(xiě)為）冪函數(shù)形式，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比。42 對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)的過(guò)程， 式中： ca，cb：a，b組分的濃度 mol.m-3 kc為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級(jí)數(shù)的不同有不同的因次。kc是溫度的函數(shù)，在一般工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。srbasrba13bacasmmolnmcckr43阿累尼烏斯關(guān)系 kc0 ：指前因子，又稱(chēng)頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。 e：活化能，jmol-1，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度。rtekke

14、c0c44反應(yīng)級(jí)數(shù) m，n：a，b組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)，m+n為此反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。 如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)?；磻?yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒(méi)有大于3級(jí)的基元反應(yīng)。對(duì)于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的經(jīng)驗(yàn)值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。45 把化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到： 直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。nmckctnvrbaaadd146 對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有： 由上式可以看出，對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與反應(yīng)物的初始濃度ca0無(wú)關(guān)。aaaddkctcraa0

15、a11lnlnxcckt47半衰期 定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。 例如，二級(jí)反應(yīng)2aaddkctcaa0a0aa1111xxccckt0a211kct 481.2建立動(dòng)力學(xué)方程式的方法 動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物溫度、濃度之間的關(guān)系。而建立一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，就是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出上述關(guān)系。 對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，回歸可以由簡(jiǎn)單計(jì)算手工進(jìn)行。 零級(jí)反應(yīng) ca0-ca=kt一級(jí)反應(yīng) 二級(jí)反應(yīng) 1/ ca-1/ca0=kt ktcc0aaln49積分法（嘗試法） (1)首先根據(jù)對(duì)該

16、反應(yīng)的初步認(rèn)識(shí)，先假設(shè)一個(gè)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，如(-ra)=kf (ca)，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算后得到，f(ca)=kt的關(guān)系式。 例如，一級(jí)反應(yīng)ktcc0aaln50 (2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f(ci)函數(shù)中，得到各ti下的f(ci)數(shù)據(jù)。 (3)以t為橫座標(biāo)，f(ci)為縱坐標(biāo)，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來(lái)，如果得到過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，則表明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取的(即假設(shè)的級(jí)數(shù)是正確的)，其直線(xiàn)的斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)k。否則重新假設(shè)另一動(dòng)力學(xué)方程，再重復(fù)上述步驟，直到得到直線(xiàn)為止。5152 為了求取活化能e，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、恒容均相反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

17、，并據(jù)此求出相應(yīng)的k值。 故以lnk對(duì)1/t作圖，將得到一條直線(xiàn)，其斜率即為-e/r，可求得e。可將n次實(shí)驗(yàn)所求得k和與之相對(duì)應(yīng)的1/t取平均值作為最后結(jié)果。trekkekkrte1lnln005354 例1-1 等溫條件下進(jìn)行醋酸 (a)和丁醇(b)的酯化反應(yīng)： ch3cooh+c4h9oh=ch3cooc4h9+h2o 醋酸和丁醇的初始濃度分別為0.2332和1.16kmolm-3。測(cè)得不同時(shí)間下醋酸轉(zhuǎn)化量如表所示。 試求反應(yīng)的速率方程。t/hr012345678醋酸轉(zhuǎn)化量102/kmol.m-301.6362.7323.6624.5255.4056.0866.8337.39855 解：由

18、于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時(shí)的數(shù)據(jù)，可以忽略逆反應(yīng)的影響，而丁醇又大大過(guò)量，反應(yīng)過(guò)程中丁醇濃度可視為不變。所以反應(yīng)速率方程為：nnmckckctcraabaadd56 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(ca)的關(guān)系t/hrcaca0-ca0aalncc0aa11cc00.233200010.21680.016360.072980.324420.20590.027320.12450.568630.19660.036620.17070.798340.18790.045250.21601.0337550.17920.054050.26301.292260.17230.060860

19、.30301.515770.16490.068330.34701.776180.15920.073980.38201.99325758 從圖可知，以 對(duì)t作圖為一直線(xiàn)，則說(shuō)明n=2是正確的，故該反應(yīng)對(duì)醋酸為二級(jí)反應(yīng)，從直線(xiàn)的斜率可以求得在此溫度下包含丁醇濃度的k值。而丁醇的反應(yīng)級(jí)數(shù)m可以用保持醋酸濃度不變的方法求得，二者結(jié)合可以求得反應(yīng)在此溫度下的速率常數(shù)k。0aa11cc59微分法 微分法是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測(cè)得的數(shù)據(jù)ca-t直接進(jìn)行處理得到動(dòng)力學(xué)關(guān)系的方法。 在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，反應(yīng)物濃度ca為縱坐標(biāo)直接作圖。60

20、將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線(xiàn)（要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不必通過(guò)每一個(gè)點(diǎn)），用測(cè)量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)行數(shù)值或圖解微分，得到若干對(duì)不同t時(shí)刻的反應(yīng)速率 數(shù)據(jù)。再將不可逆反應(yīng)速率方程如 線(xiàn)性化，兩邊取對(duì)數(shù)得：tcddankctcaaddaalnlnddlncnktc61 以 對(duì) 作圖得到直線(xiàn) 其斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)n，截距為lnk，以此求得n和k值。 微分法的優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級(jí)數(shù)，缺點(diǎn)在于圖上微分時(shí)可能出現(xiàn)的人為誤差比較大。tcddlnaalnc62作業(yè) p35 5（1）（2）, 6,7,10631.3化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 反應(yīng)器開(kāi)發(fā)的任務(wù) 根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性選擇合適的反應(yīng)器形式 結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

21、兩方面特性來(lái)確定操作方式和優(yōu)化操作條件 根據(jù)給定的產(chǎn)量對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸并進(jìn)行評(píng)價(jià)。64反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)方程化學(xué)反應(yīng)工程中的數(shù)學(xué)模型：化學(xué)反應(yīng)工程中的數(shù)學(xué)模型： 動(dòng)力學(xué)方程式(chemical reaction kinetics equation) 物料衡算式(material equilibrium equation) 熱量衡算式(energy equilibrium equation) 動(dòng)量衡算式(momentum equilibrium equation) 參數(shù)計(jì)算式(parameter equation)65 用符號(hào)表示： 更普遍地說(shuō)，對(duì)于體積元內(nèi)的任何物

22、料，進(jìn)入、排出、反應(yīng)、積累量的代數(shù)和為0。 不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項(xiàng)可能為0。1b1r1out1insmolasmolasmolasmolaffff量的積累元中物料單位時(shí)間內(nèi)體積量物料元中反應(yīng)消失的單位時(shí)間內(nèi)體積量體積元的物料單位時(shí)間排出量體積元的物料單位時(shí)間進(jìn)入broutinffff物料衡算方程66幾個(gè)時(shí)間概念 (1)反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr 簡(jiǎn)稱(chēng)為反應(yīng)時(shí)間，用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時(shí)間。 (2)停留時(shí)間t和平均停留時(shí)間 停留時(shí)間又稱(chēng)接觸時(shí)間，用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間

23、。t67 (3)空間時(shí)間 其定義為反應(yīng)器有效容積vr與流體特征體積流率v0之比值。即 空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反應(yīng)器體積的流體所需要的時(shí)間。 空間時(shí)間不是停留時(shí)間0rvv68 (4)空間速度sv 有空速和標(biāo)準(zhǔn)空速之分。空速的一般定義為在單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即： 標(biāo)準(zhǔn)空速定義為：1r0vhvvs1rnovhvvs69理想反應(yīng)器 在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。 從本質(zhì)上講，反應(yīng)器的形式并不會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。但是物料在不同類(lèi)型的反應(yīng)器中流動(dòng)情況

24、是不同的。70簡(jiǎn)單混合與返混若相互混合的物料是在相同的時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)器的，具有相同的反應(yīng)程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全相同。這種發(fā)生在停留時(shí)間相同的物料之間的均勻化過(guò)程，稱(chēng)之為簡(jiǎn)單混合。如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會(huì)相同。混合之后的物料組成與混合前必然不同，反應(yīng)速率也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時(shí)間不同的物料之間的均勻化過(guò)程，稱(chēng)之為返混。71 按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混情況作為反應(yīng)器分類(lèi)的依據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的差異。 按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類(lèi)型72間歇反應(yīng)器 間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（簡(jiǎn)稱(chēng)間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料被充分混合

25、，但由于所有物料均為同一時(shí)間進(jìn)入的，物料之間的混合過(guò)程屬于簡(jiǎn)單混合，不存在返混。73平推流反應(yīng)器 理想置換反應(yīng)器（又稱(chēng)平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡(jiǎn)單混合）但不存在軸向混合（即無(wú)返混）。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。74全混流反應(yīng)器 連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡(jiǎn)稱(chēng)全混流反應(yīng)器）。在這類(lèi)反應(yīng)器中物料返混達(dá)最大值。75非理想流反應(yīng)器 非理想流反應(yīng)器。物料在這類(lèi)反應(yīng)器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間。76間歇反應(yīng)器 反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過(guò)程中不再向反應(yīng)器內(nèi)投料，也不向外排出，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)

26、化率后，再全部放出反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。77間歇反應(yīng)器特點(diǎn)由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；由于一次加料，一次出料，反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有加料、出料，所有物料在反應(yīng)器中停留時(shí)間相同，不存在不同停留時(shí)間物料的混合，即無(wú)返混現(xiàn)象；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時(shí)間。一個(gè)生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時(shí)間、加料時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱（或冷卻）時(shí)間等。78間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程 反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個(gè)有效容積vr作為衡算體系。在單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)組分a作物料衡算：的積累量物料中單位時(shí)間內(nèi)的

27、量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時(shí)間的量的物料單位時(shí)間排出的量的物料單位時(shí)間進(jìn)入aaaarrrrvvvv1arasmoldd00tnvr79 整理得 當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時(shí)，分離變量并積分得 為間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件下，為達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率xa所需的反應(yīng)時(shí)間tr。1a0arasmolddtxnvrar0raaa00rddxtvrxntt80 在恒容條件下， 上式可簡(jiǎn)化為： 間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間tr，只是動(dòng)力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無(wú)關(guān)。a0aa1xccaa0aaa0aaa0rddccxrcrxct81設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 對(duì)于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時(shí)

28、間處理的原料量fakmol.h-1以及原料組成ca0kmol.m-3、達(dá)到的產(chǎn)品要求xaf及輔助生產(chǎn)時(shí)間t、動(dòng)力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計(jì)計(jì)算出間歇反應(yīng)器的體積。82 由式 計(jì)算反應(yīng)時(shí)間tr； 計(jì)算一批料所需時(shí)間tt； tt=tr+t t為輔助生產(chǎn)時(shí)間 計(jì)算每批投放物料總量fa； fa=fatt 計(jì)算反應(yīng)器有效容積vr；a0aaa0rdxrxctttvvcfvr0ra0ar或83 計(jì)算反應(yīng)器總體積vr。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率為6085，該分率稱(chēng)為反應(yīng)器裝填系數(shù)，由生產(chǎn)實(shí)際決定。rrvv84 例1-3某廠(chǎng)生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂是使己二酸與己二

29、醇以等摩爾比在70用間歇釜并以h2so4作催化劑進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為： ca0=4 kmol.m-3132aaminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k85 若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時(shí)間為1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75，求： (1)轉(zhuǎn)化率分別為xa=0.5，0.6，0.8，0.9時(shí)，所需反應(yīng)時(shí)間為多少? (2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時(shí)，所需反應(yīng)器體積為多少?86 解：(1)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間為： xa=0.5 xa=0.6 tr=3.18h xa=0.8 tr=8.5h xa=0.9 tr=19.0hafaf0a0

30、2a2a0aa00aaa0r111ddafafxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt87 (2)反應(yīng)器體積的計(jì)算 xa= 0.8時(shí)：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小時(shí)己二酸進(jìn)料量fa0，己二酸相對(duì)分子質(zhì)量為146，則有： 處理體積為： 實(shí)際反應(yīng)器體積vr：10ahkmol684. 0146242400f130a0a0hm171. 04684. 0cfv88 反應(yīng)器有效容積vr： 實(shí)際反應(yīng)器體積vr： 當(dāng)xa=0.9時(shí)： tt=19+1=20h vr=0.17120=3.42m3 vr=3.420.75=4.56m33t0rm63

31、. 15 . 9171. 0tvv3rrm17. 275. 063. 1vv89理想置換反應(yīng)器 理想置換反應(yīng)器是指通過(guò)反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，像活塞一樣在反應(yīng)器中向前平推，故又稱(chēng)為活塞流或平推流反應(yīng)器，英文名稱(chēng)為plug (piston) flow reactor，簡(jiǎn)稱(chēng)pfr。90理想置換反應(yīng)器的特性 由于流體沿同一方向，以相同速度向前推進(jìn)，在反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有物料的返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的；在垂直于流動(dòng)方向上的同一截面，不同徑向位置的流體特性（組成、溫度等）是一致的；在定常態(tài)下操作，反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變，不隨時(shí)間改變。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于管徑較小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、

32、流速較大的管式反應(yīng)器，列管固定床反應(yīng)器等，?？砂雌酵屏鞣磻?yīng)器處理。91理想置換反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 在等溫理想置換反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成沿反應(yīng)器流動(dòng)方向，從一個(gè)截面到另一個(gè)截面不斷變化，現(xiàn)取長(zhǎng)度為dz、體積為dvr的一微元體系，對(duì)關(guān)鍵組份a作物料衡算，如圖所示，這時(shí)dvr=stdl，式中st為截面積。92 進(jìn)入量-排出量-反應(yīng)量=累積量 故 fa-(fa+dfa)-(-ra)dvr=0 由于 fa=fa0(1-xa) 微分 dfa=-fa0dxa 所以 fa0dxa=(-ra)dvr 為平推流反應(yīng)器物料平衡方程的微分式。對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言，應(yīng)將上式積分。93 上式為平推流反應(yīng)器的積分設(shè)計(jì)方程。ar0a

33、a00arddxvrxfva0aa0a0ardxrxcfva0aa0a0rdxrxcvv94 對(duì)于恒容過(guò)程： 以上設(shè)計(jì)方程關(guān)聯(lián)了反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器體積和進(jìn)料量四個(gè)參數(shù)，可以根據(jù)給定條件從三個(gè)已知量求得另一個(gè)未知量。a0aa1xcc2a1aaa0rdccrcvv95 例1-4條件同例1-3，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為80、90時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小。 解：對(duì)pfr 代入數(shù)據(jù)xa=0.8時(shí)： xa=0.9時(shí)：2a1aaa0a0rdxxrxcvv222aaa0a02a20aa0a0r111dxxkcxkcxcvvx33rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 0v3rm26.

34、 3v96作業(yè)： p36 14,15,1897變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程 理想置換反應(yīng)器是一種連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，可以用于液相反應(yīng)，也可以用于氣相反應(yīng)。用于氣相反應(yīng)時(shí)，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應(yīng)會(huì)引起系統(tǒng)物流體積發(fā)生變化。物流體積的改變必然帶來(lái)反應(yīng)物濃度的變化，從而引起反應(yīng)速率的變化。98膨脹因子和膨脹率 為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來(lái)的影響，引入兩個(gè)參數(shù)，膨脹因子和膨脹率。99膨脹因子 反應(yīng)式 計(jì)量方程 定義膨脹因子 即關(guān)鍵組份a的膨脹因子等于反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和除以a組分計(jì)量系數(shù)的相反數(shù)。srbasrba0srbaisrbaiaia100 膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的

35、，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個(gè)定值，與其它因素一概無(wú)關(guān)。02312c3ba2a101膨脹因子的物理意義 關(guān)鍵組分a消耗1mol時(shí)，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對(duì)于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反應(yīng)體積變化。a0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。a0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。a=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。102膨脹率 物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個(gè)參數(shù)膨脹率。 定義膨脹率 即a組分的膨脹率等于物系中a組分完全轉(zhuǎn)化所引起的體積變化除以物系的初始體積。001aaaaxxxvvv103膨脹因子與膨脹率的關(guān)系 可

36、以推導(dǎo)出aa0ay104變?nèi)葸^(guò)程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系 恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率及分壓可以由以下推導(dǎo)得到。 對(duì)于a組分aaa0aaii0aa0a0aai0iii11xxccxvxnnvncaaa0aa11xxcc105 例1-5均相氣相反應(yīng)a3r，其動(dòng)力學(xué)方程為-ra=kca，該過(guò)程在185，400kpa下在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中k=10-2s-1，進(jìn)料量fa0=30kmol/h，原料含50惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá)80，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大?106 解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)a3r 已知ya0=0.5，因此a=ya0a=1 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程2113aa0aa0adxrxc1073

37、0r1313008 . 00aa8 . 00aaa8 . 00aaa0aa0a8 . 00aa0a0aa0am4 .381587. 08 .241sm1587. 0hm2 .57140018515.273314. 85 . 0/30s8 .2411ln2100d1110011dddavvprtfvxxxxxxxkcxckcxcrxcx108 例1-6在一個(gè)平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯。年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為14萬(wàn)噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級(jí)反應(yīng)，要求達(dá)到乙烷轉(zhuǎn)化率為80，反應(yīng)器在1100k等溫，恒壓600kpa下操作，已知反應(yīng)活化能為347.3 kjmol-1 ，1000k時(shí)，k=0.07

38、25 s-1 。設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。109 解：設(shè)a為乙烷，b為乙烯，c為氫氣 反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：cbahhchc242621111117bskmol175. 0kmolkg28hs3600dh24ad330akg1014f110 進(jìn)料乙烷的摩爾流率是： 計(jì)算1100k時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)：1aba0skmol219. 08 . 0175. 0 xff11000110010001100314. 8103 .347k110010001100100011001000011000k1000k11000s23. 3e0725. 0eeee3kkkkkkkrerererte111 膨脹因子：

39、 膨脹率： 進(jìn)口體積流量：11111a111aa0ay1333000a0sm34. 3106001100314. 810219. 0prtfv112 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程38 . 00aar8 . 00aaa8 . 00aaa08 . 00aaaa0a000aa0a0r0aa0a0rm50. 21ln203. 1d1123. 334. 311d11dddaaxxvxxxxxkxvxxkcxcvkcxcvvrxcvvaxx113流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停留時(shí)間 由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實(shí)停留時(shí)間都等于平均停留時(shí)間。114 恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物

40、系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時(shí)間與空間時(shí)間不同。如果反應(yīng)物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時(shí)間將小于空間時(shí)間；相反，如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時(shí)間將大于空間時(shí)間。115 恒容條件下，a=0，上式還原為：aar0aaaaa00aa0aa00r1d1ddxxavxrxcxvrxfvvta0aa0adxrxcr0rdvvvt116全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器又稱(chēng)全混釜或連續(xù)流動(dòng)充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡(jiǎn)稱(chēng)cstr。流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。117全混流反應(yīng)器特性 物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器的出口組成與

41、器內(nèi)物料組成相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一定態(tài)過(guò)程。118全混流反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程 全混釜中各處物料均一，故選整個(gè)反應(yīng)器有效容積vr為物料衡算體系，對(duì)組分a作物料衡算。的積累量物料中單位時(shí)間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時(shí)間的量的物料單位時(shí)間排出的量的物料單位時(shí)間進(jìn)入aaaarrrrvvvv0rfaafa1vrff119 整理得到： 恒容條件下又可以簡(jiǎn)化為： rfaa1afa0vrxxffa1aafa0rrxxfvfa1aaf0a0rrxxcvvfaafa1rcc120 例1-7 條件同例1-3的醇酸樹(shù)脂生產(chǎn)，若采用cstr反應(yīng)器，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80、90時(shí)，所需反應(yīng)器的體積。 解：由例1-3已知

42、：2a2a0a1xkcr110aminkmol0114. 0hkmol684. 0f130hm171. 0v121 由設(shè)計(jì)方程 代入數(shù)據(jù)，xaf=0.8時(shí) 代入數(shù)據(jù)，xaf=0.9時(shí)2a20a1aaf0ar1xkcxxfv3223rm23. 78 . 0141097. 18 . 00114. 0v3223rm6 .329 . 0141097. 19 . 00114. 0v122 將例1-3，1-4，1-7的結(jié)果匯總 從上表可看出，達(dá)到同樣結(jié)果間歇反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器所需反應(yīng)體積略大些，這是由于間歇過(guò)程需輔助工作時(shí)間所造成的。而全混釜反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器所需反應(yīng)體積大得多，這是由于全

43、混釜的返混造成反應(yīng)速率下降所致。當(dāng)轉(zhuǎn)化率增加時(shí)，所需反應(yīng)體積迅速增加。反應(yīng)器有效容積平推流反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器xa=0.81.45 m32.17 m37.23m3xa=0.93.26 m34.56 m332.6 m3123 作業(yè) p37 19, 22, 23124第二章復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型125 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)溫度及單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物的摩爾數(shù)（濃度）與反應(yīng)速率的函數(shù)關(guān)系。而反應(yīng)速率講的是單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物（或產(chǎn)物）摩爾數(shù)隨時(shí)間的變化率。二者都涉及到“單位反應(yīng)體積”?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)重視反應(yīng)體積的概念，強(qiáng)調(diào)在反應(yīng)器中不同時(shí)間、不同位置上的局部濃度可能不相同。這就造成了同一個(gè)反應(yīng)

44、發(fā)生在不同反應(yīng)器中會(huì)有不同的結(jié)果。126間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作方式上與間歇反應(yīng)器截然不同，一個(gè)沒(méi)有攪拌一個(gè)有攪拌；一個(gè)連續(xù)操作一個(gè)間歇操作；一個(gè)是管式一個(gè)是釜式，但有一點(diǎn)是共同的，就是二者都沒(méi)有返混，所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間都相同。既然停留時(shí)間都相同，沒(méi)有不同停留時(shí)間（即不同轉(zhuǎn)化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應(yīng)器在相同的進(jìn)口（初始）條件和反應(yīng)時(shí)間下，就應(yīng)該得到相同的反應(yīng)結(jié)果。127間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器 間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上大體相同，但從返混的角度上看卻是完全不同的。間歇反應(yīng)器完全沒(méi)有返混，而全混流反應(yīng)器的返混達(dá)到了極大的程度。因而，二者的設(shè)計(jì)方

45、程不同，同一個(gè)反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中進(jìn)行，產(chǎn)生的結(jié)果也就不一樣。128單一不可逆反應(yīng)過(guò)程平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較129 對(duì)于平推流反應(yīng)器，在恒溫下進(jìn)行，其設(shè)計(jì)式為： 對(duì)于全混流反應(yīng)器，在恒溫下進(jìn)行，其設(shè)計(jì)式為： 二式相除，當(dāng)初始條件和反應(yīng)溫度相同時(shí)：a0naaa1na0pd111axxxkcxnaaa1na0am11xxkcxa0naaanaaaaprmrpmd1111axxxxxxvvx130131理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合 (1)平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作 vr=vrl+vr2 因?yàn)槭遣⒙?lián)操作，總物料體積流量等于各反應(yīng)器體積流量之和： v0=v01+v02 由平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程a0aa0a

46、0rdxrxcvv132盡可能減少返混是保持高轉(zhuǎn)化率的前提條件，而只有當(dāng)并聯(lián)各支路之間的轉(zhuǎn)化率相同時(shí)沒(méi)有返混。如果各支路之間的轉(zhuǎn)化率不同，就會(huì)出現(xiàn)不同轉(zhuǎn)化率的物流相互混合，即不同停留時(shí)間的物流的混合，就是返混。因此，是應(yīng)當(dāng)遵循的條件2102012r1r:vvvv133 (2)全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作 多個(gè)全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作時(shí)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率使反應(yīng)器體積最小，與平推流并聯(lián)操作同樣道理，必須滿(mǎn)足的條件相同。134 (3)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作 考慮n個(gè)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作， 對(duì)串聯(lián)的n個(gè)反應(yīng)器而言niixxxirxrxfvfvaa1a0aaaaa0r0ardd135 (2)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作

47、 n個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作在工業(yè)生產(chǎn)上經(jīng)常遇到。其中各釜均能滿(mǎn)足全混流假設(shè)，且認(rèn)為釜與釜之間符合平推流假定，沒(méi)有返混，也不發(fā)生反應(yīng)。136 對(duì)任意第i釜中關(guān)鍵組分a作物料衡算。 對(duì)恒容、定常態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，v0不變， ，故有： 對(duì)于n釜串聯(lián)操作的系統(tǒng)，總空間時(shí)間： 小于單個(gè)全混釜達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率xan操作時(shí)的空間時(shí)間。iivv0riiiiiiirccrxxcaa1aa1aa0an21137由于釜與釜之間不存在返混，故總的返混程度小于單個(gè)全混釜的返混。138 計(jì)算出口濃度或轉(zhuǎn)化率 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)： 依此類(lèi)推：210a21a2a2a2a1a210a1a1a1a0a11111kkckcckccckcckcc

48、cn10aan1iikcc139 如果各釜體積相同，即停留時(shí)間相同，則： 對(duì)二級(jí)反應(yīng)，以上面方法，可以推出：n0aan1ikccnan111ikxiiiikckc24111aa140 例2-1 條件同例1-3的醇酸樹(shù)脂生產(chǎn)，若采用四釜串聯(lián)的全混釜，求己二酸轉(zhuǎn)化率為80時(shí)，各釜出口己二酸的濃度和所需反應(yīng)器的體積。 解： 已知8 . 0mkmol4hm171. 01097. 1af3b0a0130ba3axccvccr141 要求第四釜出口轉(zhuǎn)化率為80%，即 以試差法確定每釜出口濃度 設(shè)i=3h代入 由ca0求出ca1，然后依次求出ca2、 ca3、 ca4，看是否滿(mǎn)足ca4=0.8的要求。將以上

49、數(shù)據(jù)代入，求得： ca4=0.824 kmolm-33af0a4amkmol8 . 08 . 0141xcciiiikckc24111aa142 結(jié)果稍大，重新假設(shè)i=3.14h，求得： ca1=2.202kmolm-3 ca2=1.437kmolm-3 ca3=1.037kmolm-3 ca4=0.798kmolm-3 基本滿(mǎn)足精度要求。3r30rm15. 2537. 04m537. 014. 3171. 0vvvii143循環(huán)反應(yīng)器 在工業(yè)生產(chǎn)上，有時(shí)為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便于控制溫度、轉(zhuǎn)化率和收率，或?yàn)榱颂岣咴系睦寐?，常常采用部分物料循環(huán)的操作方法，如圖所示。144 循環(huán)反應(yīng)器

50、的基本假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動(dòng)；管線(xiàn)內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。 反應(yīng)器體積可按下式計(jì)算： 為方便起見(jiàn)，設(shè)循環(huán)物料體積流量與離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)物料的體積流量之比為循環(huán)比，即2aa1aa1ardxxrxfv2a3a23ffvv145 對(duì)圖中m點(diǎn)作物料衡算： 對(duì)整個(gè)體系而言，有： 可以推導(dǎo)出：202a0a303a0a11a1avvffvvffvfc2aa022a0a2a11xvvxff2aa11xx146 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程中，轉(zhuǎn)化率的基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)與反應(yīng)器入口處體積流量及這一體積流量下轉(zhuǎn)化率為0時(shí)的a組分的摩爾流率對(duì)應(yīng)： 式中，fa0是一個(gè)虛擬的值，它由兩部分組成，新鮮進(jìn)料fa0和循環(huán)

51、回來(lái)的物流v3中當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0時(shí)應(yīng)當(dāng)具有的a的摩爾流率。即：2a1aaa0ardxxrxfv0a300a10acvvcvf147 由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積： 當(dāng)循環(huán)比為0時(shí)，還原為普通平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程。 當(dāng)循環(huán)比時(shí)，變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)器設(shè)計(jì)方程。 當(dāng)0e2時(shí)，e1-e20，隨著溫度的上升， 選擇性sp上升，可見(jiàn)高溫有利于提高瞬時(shí)選擇性；當(dāng)e1e2時(shí)，e1-e2a2，blb2時(shí)，升高濃度，使選擇性增加，若要維持較高的ca、cb，則應(yīng)選擇平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器183184185 例2-2 有一分解反應(yīng) 其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，ca0 =5 kmolm-

52、3，cp0=cs0=0，體積流速為5m3h-1，求轉(zhuǎn)化率為90時(shí)： (1)全混流反應(yīng)器出口目的產(chǎn)物p的濃度及所需全混流反應(yīng)器的體積。 (2)若采用平推流反應(yīng)器，其出口cp為多少?所需反應(yīng)器體積為多少? (3)若采用兩釜串聯(lián)，最佳出口cp為多少?相應(yīng)反應(yīng)器體積為多少?2a2sa1psapackrckr付產(chǎn)物目的產(chǎn)物186 (1)全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器平均選擇性等于瞬間選擇性32aa0a0r3a0app22a2a1a1ap1ppm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151

53、rccvvccscckckckrrpass187 (2)平推流反應(yīng)器a0appccsc0aaapa0apd1cccsccs0aaappdcccsc18830aaa0a0raaaaa0ra0app3a0aaaaa12a2a2a1a1pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5 . 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0aa0aaa0a0aa0aaccccvvcccrcvvcccscccccckkcckckckccccccccccc189 (3)兩個(gè)全混

54、釜串聯(lián) 為使cp最大，求 ， 得ca1=1.91kmolm-32a2a1a1a1a0a2a1a22a22a12a11a0a21a21a11a12a2p1ap1p5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcscsc0dd1apcc19032222a22a12a1a021a21a11002r1rrp3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccvckckccvvvv

55、scaap191連串反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型 連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其它副產(chǎn)物的過(guò)程。 作為討論的例子，考慮下面最簡(jiǎn)單型式的連串反應(yīng)(在等溫、恒容下的基元反應(yīng))： 在該反應(yīng)過(guò)程中，目的產(chǎn)物為p，若目的產(chǎn)物為s則該反應(yīng)過(guò)程可視為非基元的簡(jiǎn)單反應(yīng)。spa21kk192 三個(gè)組分的生成速率為： 設(shè)開(kāi)始時(shí)各組分的濃度為ca0，cp0=cs0=0，則由第一式積分得：a1aaddcktcrp2a1ppddckcktcrp2ssddcktcrtkecc10aa193 將此結(jié)果代入第二式得： 為一階線(xiàn)性常微分方程，其解為： 由 于 總 摩 爾 數(shù) 沒(méi) 有 變 化 ， 所 以 ca0=ca+cp+cs0

56、dd10a1p2ptkeckcktctktkeekkkcc122110aptktkekekkkcc2112210as11194 若k2k1時(shí)， 若k1k2時(shí)， 組分a、p、s隨時(shí)間的變化關(guān)系以濃度-時(shí)間標(biāo)繪得圖tkecc110astkecc210as195196 中間產(chǎn)物p濃度的最大值及其位置 由前面式子可以求出： 為了提高目的產(chǎn)物的收率，應(yīng)盡可能使k1/k2比值增加，使ca濃度增加，cp濃度降低。 反應(yīng)速率常數(shù)k與濃度無(wú)關(guān)，只有改變溫度能夠影響k1/k2。1212optlnkkkkt21221a0maxpkkkkkcc197 對(duì)連串反應(yīng) 瞬時(shí)選擇性定義為： 如果是一級(jí)反應(yīng)且a=p=1spa2

57、1spakkapprrpasap1020a1p2a1app211ccekkckckckrrsrtee 198 當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能e1大于進(jìn)一步生成副產(chǎn)物活化能e2(即e1e2)時(shí)，升高溫度對(duì)生成中間目的產(chǎn)物是有利。當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能e1小于生成副產(chǎn)物活化能e2(即e1e2)時(shí)，降低溫度對(duì)生成中間目的產(chǎn)物是有利。與平行反應(yīng)一致。199 提高ca濃度，降低cp濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流反應(yīng)器(或間歇反應(yīng)器)比全混流反應(yīng)器易滿(mǎn)足這一條件，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。200 全混流反應(yīng)器的計(jì)算(計(jì)算最佳空間時(shí)間op和相應(yīng)的cpmax值)。 以最簡(jiǎn)單一級(jí)反應(yīng)為例： 在原料中，ca=ca0，c

58、p0=cs0=0 在恒容過(guò)程中，在cstr中對(duì)a作物料衡算：raa00a0vrcvcv1a0raaa01kcvvrcc0ra1avvckr10aa1kcc201 對(duì)p作物料衡算： 當(dāng)時(shí) cp值最大，為最佳值op。p0rp0p0cvvrcvp2a1ppckckrc210a12a1p111kkckkckc0ddpc202 op為反應(yīng)速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。011211dd221212121a01pkkkkkkkkckc21op1kk2120amaxp1kkcc21a0aop1kkcc203 平推流反應(yīng)器的計(jì)算。仍討論這一典型的一級(jí)恒容反應(yīng)過(guò)程。在平推流反應(yīng)器中，任取一微元體，對(duì)a組分進(jìn)行物料衡

59、算： raaa0a0ddvrccvcvdda1ackc0rvv10aakecc204 同樣對(duì)組分p進(jìn)行物料衡算：rppp0p0ddvrccvcvp2a1pckckrddp2a1pckckc10a1p2pddkeckckccd1220a1pkkkeckec205 下面針對(duì)不同情況確定積分常數(shù)。 情況1：當(dāng)kl=k2=k，而且cp0=0； 當(dāng) 時(shí)，相應(yīng)為最佳值。得到：keckc0ap0ddpck1opkvv10rop206a00apmax368. 0cecc0a0aaop368. 0cecck0aamaxp0as264. 0ccccc207 情況2：當(dāng)cp0=0，但k1k2時(shí)，同樣可解得：1221

60、10apkkeekkkcc1212oplnkkkk12212212121a021210a121maxpkkkkkkkkkkkckkkkckkkc121210aaopkkkkkcc12120roplnkkkkvv208209 在(k2/k1)相同時(shí)，即平推流的平均選擇性永遠(yuǎn)大于全混流。當(dāng)反應(yīng)的平均停留時(shí)間小于最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間時(shí)副反應(yīng)生成的s量??；反之，副反應(yīng)生成的s量增加，所以平均停留時(shí)間寧可取小于op的值。隨著轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性是下降的，當(dāng)k2/k11時(shí)，轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性明顯下降。為了避免副產(chǎn)物s取代產(chǎn)物p，應(yīng)在低轉(zhuǎn)化率下操作。210 作業(yè)： p 69 10,19211第三章非理想流動(dòng)反